Inborn Errors of Immunity (IEI) und „Reverse Translation“ – was kann der Immunologe von Immundefekten lernen?

Einleitung

Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts ist ein Großteil der Menschheit zum Teil früh im Leben an Infektionen mit Fieber gestorben [1]. Zwischen 1865 und 1885 haben Koch und Pasteur die Medizin dadurch revolutioniert, dass sie Bakterien als Krankheitserreger für Infektionen ausgemacht haben (Keimtheorie). Die daraus folgenden Interventionen wie Hygiene, aseptische Chirurgie, Impfungen und Antibiotika/Antiinfektiva haben die Lebenserwartung der Menschen drastisch verbessert. Für Anhänger der als extrinsisch bezeichneten Krankheitslehre/Keimtheorie sind bei Infektionen nur Quantität und Qualität der Erreger entscheidend. Fälschlicherweise werden Viren, Bakterien und Pilze als „Pathogene“ bezeichnet. Pathogen werden Erreger aber erst durch Interaktion mit dem Immunsystem, z. B. durch „Virokine“, virales IL6 (HHV-8) oder virales IL10 (EBV). Die Rolle des Wirtes und dessen Immunsystems bei Infektionen wird unterschätzt. Die Variabilität der Immunität von Mensch zu Mensch ist im Rahmen von Infektionen extrem, bei manchen hat es nach inapparenter Infektion eine sogenannte „stille Feiung“ gegeben, bei anderen hingegen können Infektionen bei Erstkontakt mit dem Erreger tödlich verlaufen. Keimunabhängig gibt es intrinsische/genetische Faktoren, die interindividuell unterschiedliche Verläufe von Infektionserkrankungen bestimmen: Die angeborene, sog. „innate“ Immunität besteht bei Geburt in Form von präformierten Phagozyten, NK-Zellen mit Zytokinen/Komplement; die erworbene, sog. adaptive Immunität kann, z. B. nach Impfung mit Tetanus-Toxoid und Exposition mit Clostridium tetani, tödliche Infektionen verhindern. Die genetische/intrinsische Theorie besagt, dass die Suszeptibilität (Empfänglichkeit) für Infektionen angeboren und von Individuum zu Individuum sehr unterschiedlich sein kann. Belege für die Richtigkeit der genetischen/intrinsischen Theorie sind angeborene Immundefekte (Inborn Errors of Immunity, IEI) [2]. IEI haben Bedeutung in der reversen translationalen Forschung, d. h. die wissenschaftliche Aufarbeitung und präzise klinische und immunologische Phänotypisierung von Patienten mit IEI schafft eine Schnittstelle zwischen Klinik und Grundlagenforschung. Klinische Erkenntnisse bei IEI-Patienten, z. B. besondere Empfänglichkeit für Mollusca bei Patienten mit DOCK (Dedicator of Cytokinesis)-8-Defizienz, können ins Labor übertragen werden (z. B. Studien zur Rolle des Zytoskeletts bei der Migration von humanen dendritischen Zellen). Jeder einzelne IEI ist allerdings extrem selten. Im Folgenden ist dargestellt, wie der Arzt/Immunologe IEI findet, klassifiziert und behandelt. 

Screening auf Inborn Errors of Immunity

Nicht jeder Patient mit vermehrten Infektionen braucht aufwändige Laboruntersuchungen – wann ist also eine weitergehende immunologische Diagnostik sinnvoll? Kriterien oder Warnzeichen für eine pathologische Infektionsanfälligkeit ergeben sich aus der Anamnese des Patienten und aus Untersuchungs- oder Laborbefunden bzw. Vorerkrankungen, die auf eine Immundysregulation hindeuten (siehe 2. Auflage der AWMF-S2K-Leitlinie „Dia­gnostik auf Vorliegen eines primären Immundefektes“, 2017). Diese Warnzeichen haben aber nur einen hinweisenden Charakter. Als Basisdiagnostik bei Verdacht auf das Vorliegen eines IEI dienen sehr einfach durchzuführende sowie kostengünstige Laboruntersuchungen (siehe Tab. 1 [3–5]).

IEI können sich hinter Malignomen, Allergien, entzündlich-autoimmunen oder autoinflammatorischen Erkrankungen (z. B. Morbus Crohn, Familiäres Mittelmeerfieber) verbergen. Die Dauer von der ersten Präsentation des Patienten bis zur Diagnosestellung ist für IEI immer noch zu lang, sie beträgt oft Jahre. Also erwarte das Unerwartete: Trotz normaler Familienanamnese, Fehlen von Infektionsanfälligkeit und von Immundysregulationszeichen sowie normalen Screening-Laborwerten können in jedem Lebensalter IEI vorliegen, z. B. Komplementdefekte vor erster Exposition mit potentiell schädlichen Erregern (z. B. Neisseria), EBV-spezifische Immundefekte vor EBV-Exposition u. s. w. 

Diagnosestellung von Inborn Errors of Immunity

Mit dem Einzug der Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung (Next Generation Sequencing, NGS) in die klinische Dia­gnostik wurde die Diagnosestellung von angeborenen, genetischen Erkrankungen signifikant beschleunigt. Noch vor zehn  Jahren leitete die Ärztin/der Arzt nach klinischer Phänotypisierung immunologische Funktionsuntersuchungen ein, bevor sie/er wie in einem schwierigen Puzzle mühsam einzelne Gene hinter­einander auf Varianten sequenzieren ließ. Dieser Prozess dauerte oft Monate bis Jahre – eine Zeit, die der Patient möglicherweise gar nicht hatte. Heute werden das gesamte Exom (WES) oder in Studien und an wenigen Standorten auch das gesamte Genom (WGS) oder Teile davon (Gruppen von Genen, sog. Panels) in einer einzigen Untersuchung auf Varianten gescreent und damit die Diagnosestellung erheblich beschleunigt. Einen Quantensprung für die Diagnostik von IEI stellt die Einführung des bundesweiten Neugeborenenscreenings (NGS) auf SCID (Severe Combined Immunodeficiency) mittels Analyse von TRECS (T-cell Receptor Excision Circles) dar. Es ist denkbar, dass auch das NGS zukünftig viel früher als heute bei größeren Patientengruppen mit auffälliger Symptomatik als Screening auf IEI eingesetzt wird. Es ist heutzutage wesentlich einfacher geworden, neue monogenetische Immundefekt-Erkrankungen erfolgreich aufzuklären. Dabei ist der klinisch tätige Arzt mit der Qualität seiner Phänotypisierung des Patienten für das Auffinden von IEI oder die Beschreibung noch neu zu charakterisierender IEI von zentraler Bedeutung. Nur mit erfolgreichem Screening durch Anamnese und körperliche Untersuchung (Haus- oder Kinderarzt) und präziser Phänotypisierung durch den klinischen Immunologen wird der Nachweis zu führen sein, ob ein Kandidaten-Gen aus dem NGS bzw. Panel-Sequencing zum Phänotyp passt oder nicht. Die Kunst ist es, im Team von grundlagenwissenschaftlich tätigen Immunologen, Genetikern, Bioinformatikern und Ärzten den Beweis zu führen, dass die Variante auch pathogen, das heißt pathophysiologisch relevant ist. Dabei besteht immer die Gefahr der Überinterpretation von Variantenbefunden in der NGS-Analyse. Die Diagnose IEI kann daher nur interdisziplinär abgestimmt gestellt werden.

Klassifikation und Genetik von Inborn Errors of Immunity

Die Zahl der genetisch charakterisierten Immundefekte ist in den letzten Jahren auf annähernd 500 IEI angestiegen (Abb. 1, [6]). 

Die Schätzung von potentiell ca. 2.000 IEI-Genloci ist nicht unrealistisch [7]. Wegweiser im Dschungel der IEI ist die Klassifikation des IUIS-Experten-Komitees in 9 IEI-Gruppen (Tab. 2, [8, 9]). 

IEI entstehen als Folge von Loss of Function(LOF amorphic, hypomorphic) - oder Gain of Function(GOF neomorphic, hypermorphic)Gen-Varianten in der Keimbahn. Heterozygote Varianten können mit autosomal-dominanter Vererbung bei GOF-Varianten assoziiert sein oder mit Haplo-Insuffizienz oder Negativ-Dominanz bei LOF-Varianten. Autosomal-rezessive Erbgänge sind mit bi-allelischen LOF-Varianten verbunden. Bei X-chromosomalen Erkrankungen reicht für die Entstehung von IEI der hemizygote Status bei männlichen Individuen. Konduktorinnen können bei nicht-zufälliger Lyonisierung Krankheitzeichen ausbilden. Schließlich gibt es somatische Varianten und Revertanten, die einen IEI-Phänotyp erzeugen bzw. mitigieren. Bei konsanguinen Familien können mehrere homozygote Varianten in anderen Loci außerhalb des mit IEI assoziierten Gens den Phänotyp wesentlich mitbestimmen. Varianten im gleichen Gen können bei verschiedenen Patienten deutlich unterschiedliche klinische Phänotypen verursachen. Bei Varianten im Gen RAG kann dies vom schweren, innerhalb von wenigen Wochen tödlichen kombinierten Immundefekt (SCID) bei homozygoten Varianten bis zum asympto­matischen Erwachsenen mit etwas auffälligen Laborbefunden bei compound heterozygotem (sog. hypomorphem, atypischem) SCID oder Profound Combined Immunodeficiency (P-CID) reichen [10]. Beim SCID gibt es Reversionen von Varianten, z. B. in der γ-Kette des IL2-Rezeptors in Vorläufer-T-Zellen, d. h. Rückmutation zum Wildtyp, bei denen es zur weitgehenden Normalisierung der T-Zell-Entwicklung kommt [11]. Andere Varianten bei IEI können zur Reinitiation der Translation des mutierten Gens führen [12]. 
Die veränderte Immunität ist in der nicht-redundanten Rolle der Genprodukte (Proteine) bei Entwicklung, Erhaltung und Funktion von Zellen des Immunsystems begründet, die immer dann zum Tragen kommt, wenn extrinsisch Erreger oder intrinsisch Zytokine, Selbstantigene oder Krebszellen das Immunsystem besonders fordern.

Therapie von Inborn Errors of Immunity

Die genetische und pathophysiologische Aufklärung von IEI hat weitreichende therapeutische Implikationen und ermöglicht in Einzelfällen die Therapie oder sogar Heilung von potentiell tödlichen Erkrankungen [2]. Die Kenntnis der mit einem IEI assoziierten Schlüsselmoleküle (z. B. CTLA-4) und -Pathways (z. B. JAK/STAT) erlaubt Precision Medicine, d. h. eine präzise auf den Pathomechanismus gezielte (targeted) Therapie des IEI. Ob „targeted therapies“ auch bei polygen vererbten oder nicht-genetisch bedingten Erkrankungen mit IEI-ähnlichen Immunpathologien (z. B. SLE oder Dermatomyositis) effektiv sind, bleibt abzuwarten. In jahrzehntelanger Pionierarbeit gelang bei Patienten mit IEI der Proof of Principle für zahlreiche Therapieverfahren (zu der jeweiligen Zeit) (Abb. 2): Substitution von Immunglobulinen bei Morbus Bruton Ende der 50er-Jahre, Stammzelltransplantation bei Patienten mit SCID Ende der 60er-Jahre, erste Gentherapie-Verfahren bei der Adenosin-Deaminase(ADA)-Defizienz zu Beginn der 90er-Jahre, Thymus-Transplantationen bei Thymusdefekten (DiGeorge-Syndrom), JAK-Inhibitoren bei GOF im JAK/STAT-Pathway usw.
 

Die Zukunft der IEI-Therapie könnte im Genome Editing liegen: In präklinischen Protokollen wird die Genkorrektur mittels Designer-Endonukleasen (z. B. CRISPR/Cas-Methode) bei IEI erprobt. 

FAZIT FÜR DIE PRAXIS

1. Die Aufklärung von IEI erlaubt tiefe Einsicht in die molekulare Immunpathogenese von Krankheiten des Menschen. IEI zeigen auf, dass es im Immunsystem des Menschen Schlüsselmoleküle und -Pathways gibt, deren Funktion für die Immunität beim Menschen nicht re­dundant ist. Dazu gehören das Fehlen oder die schwere Beeinträchtigung von T- und/oder B-Zell-Entwicklung, Antikörperproduktion, Zytoskelettfunktion und Interaktion/Synapse zwischen B- und T-Zellen. Weitere Schlüsselpathways beim Menschen sind die intrinsische Kontrolle von Autoimmunität und Lymphoproliferation, Granulaformation bei Zytotoxizität, Produktion von Schlüsselzytokinen (z. B. IL1 und Typ-I-Interferone), Komplement-Aktivierung, DNA-Reparatur, Telomeraseaktivität usw.
2. Die klinisch-wissenschaftliche Analyse von IEI-Patienten zeigt die Komplexität der Funktion des humanen Immunsystems in natura, d. h. unter Real-Life- und nicht Laborbedingungen des Mausmodells (maximale Sterilität, Inzucht etc.). IEI-Phänotypen sind aber nicht allein durch die Variante im Krankheitsgen zu erklären, sondern es besteht eine erhebliche genetische, epigenetische und damit somatische Variabilität, die trotz stark verbesserter Untersuchungstechniken nicht selten unverstanden bleibt. 
3. Aus den Erfolgen und Misserfolgen der IEI-Therapie gewinnen die Immunologie und angrenzende Wissenschaften wichtige Erkenntnisse zum Immunsystem des Menschen. Das reicht vom Proof of Principle der Gentherapie bei Adenosindeaminase-Defizienz bis zur durch Interleukin-1-Dysregulation und Neuroinflammation verursachten Hör- und Sehorganzerstörung (CINCA-Erkrankung) und deren Heilung durch IL1-Blockade.

Die Natur ist die beste Lehrmeisterin: All diese Erkenntnisse zur Pathophysiologie, Diagnostik und Therapie von IEI fließen in das Verständnis der Grundlagen der humanen Immunität ein und sind damit für die Gemeinschaft der wissenschaftlich tätigen Immunologen unverzichtbar.